AD及DA轉(zhuǎn)換及數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、-. z.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第 1 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：A/D與D/A轉(zhuǎn)換 & 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究 院 系： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)：實(shí) 驗(yàn) 室： 416 實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2014年 3月 20日評(píng)定成績： 審閱教師：第一局部實(shí)驗(yàn)一A/D與D/A轉(zhuǎn)換一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過編程熟悉VC+的Win32 Console Application的編程環(huán)境；2、通過編程熟悉PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出；3、了解采集卡AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換性能；4、通過實(shí)驗(yàn)了解字節(jié)數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THBDC-1型

2、控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3PC機(jī)1臺(tái)(安裝軟件VC+及THJK_Server) 三、實(shí)驗(yàn)原理1數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711是輸入功能強(qiáng)大的低本錢多功能PCI總線卡。 特點(diǎn)：16路單端模擬量輸入 12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100KHz 每個(gè)輸入通道的增益可編程 自動(dòng)通道/增益掃描 卡上1K采樣FIFO緩沖器 2路12位模擬量輸出僅PCI-1711 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出 可編程觸發(fā)器/定時(shí)器圖1-1 PCI-1711卡管腳圖2. AD/DA轉(zhuǎn)換原理該卡在進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-1010V對(duì)應(yīng)為04095(A/D轉(zhuǎn)

3、換精度為12位)。輸入A/D數(shù)據(jù)編碼正滿度1111 1111 1111正滿度1LSB1111 1111 1110中間值零點(diǎn)0111 1111 1111負(fù)滿度+1LSB 0000 0000 0001負(fù)滿度0000 0000 0000D/A通道輸出圍為010V。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、仔細(xì)閱讀PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)說明.doc文檔。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的階躍信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過導(dǎo)線與PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的AD1通道輸入端相連，同時(shí)將PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的AD1通道通過導(dǎo)線與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的交直流數(shù)字電壓表選取直流檔的輸入端相連；3、翻開ADDA實(shí)驗(yàn)VC+程序文件夾，翻開.dsw工程文件，添

4、加缺少的main函數(shù)主程序，編程實(shí)現(xiàn)以下功能： 在運(yùn)行程序后的DOS界面上應(yīng)顯示AD第一通道輸入值，同時(shí)并顯示出轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的以十進(jìn)制存放的二進(jìn)制碼，并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼； 在程序中使用輸出函數(shù)通過DA1通道輸出一個(gè)010V的電壓PCI-1711卡無法輸出負(fù)電壓，然后使用THBDC-1型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的直流數(shù)字電壓表進(jìn)展測量，并確認(rèn)輸出值是否正確。五、實(shí)驗(yàn)記錄1.系統(tǒng)main函數(shù)如下：void main() /主程序init_1711();for(;)ADinput(0); /讀取AD1通道的電壓值printf(AD1通道輸入值:%.3fn,fVoltage);ADbinaryIn(0); /讀取A

5、D1通道的二進(jìn)制電壓值printf(AD1通道的二進(jìn)制值為以十進(jìn)制數(shù)存放:%dn,bin);/-10V10V對(duì)應(yīng)為(04095) /AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制char *temp = new charNUM+1;Convert(bin,temp,NUM); /十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換函數(shù)printf(AD1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為:%sn,temp); delete temp;DAoutput(0,3.2); /從DA1通道輸出3.2V的電壓值 printf(DA1通道輸出值:%.3fn,ptAOVoltageOut.OutputValue);DABinaryout(1,4095);printf(

6、DA1通道輸出值:%dn,ptAOBinaryOut.BinData); printf( n);Sleep(1000);e*pe*it(); 程序的主要函數(shù)：void Convert(USHORT data,char* temp,long Dim);/十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)void ErrorHandler( DWORD dwErrCde ); /通過錯(cuò)誤代碼來獲取相應(yīng)的錯(cuò)誤信息函數(shù)void ErrorStop( long*, DWORD );/出錯(cuò)處理函數(shù)bool init_1711();/初始化設(shè)備void e*pe*it();/關(guān)閉設(shè)備float ADinput(unsigned cha

7、r chan);/模擬量輸入函數(shù)bool DAoutput(unsigned char chan,float DAdata);/模擬量輸出函數(shù)USHORT ADbinaryIn(unsigned char chan); /模擬量輸入函數(shù)(二進(jìn)制形式)3.由于是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以下為我們記錄的兩組數(shù)據(jù)：A/D轉(zhuǎn)換通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值，改變AD1輸入端輸入電壓的大小，用電壓表測出實(shí)際輸入的電壓值，并記錄通過A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)采集的十進(jìn)制與二進(jìn)制值，程序運(yùn)行結(jié)果見下表中，在變化過程中實(shí)際輸入與計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表：直流電壓表v程序運(yùn)行后DOS界面顯示結(jié)果AD1通道輸入值A(chǔ)D1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十

8、進(jìn)制AD1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼0.000.000204715.004.9823068010.009.98540920-5.00-4.93210371程序?qū)⑼饨巛斎腚妷和ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換得到與原輸入值大致相等的電壓，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-1010V對(duì)應(yīng)為04095，采用除二取余法計(jì)算相應(yīng)的二進(jìn)制碼，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)結(jié)果是比擬準(zhǔn)確的，誤差較小。D/A轉(zhuǎn)換在程序中屢次改變輸出電壓的大小(通過改變主程序中DAoutput0，*中的函數(shù))，利用電壓表測量實(shí)際DA1輸出的電壓值，運(yùn)行程序后，得到的具體的D/A轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表：程序設(shè)定值V電壓表輸出電壓值V2.52.503.03.00由表中數(shù)據(jù)可以看出，

9、DA1通道的輸出電壓值與程序中設(shè)定的值十分接近相等，在誤差允許的圍認(rèn)為輸出值正確。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.此次實(shí)驗(yàn)比擬簡單，通過簡單地連線驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出程序可以將外界輸入電壓通過A/D以及D/A轉(zhuǎn)換，得到與原輸入值大致相等的電壓。2.輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-1010V對(duì)應(yīng)為04095(程序設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換精度為12位)，相當(dāng)于每1V對(duì)應(yīng)十進(jìn)制為204.8；通過除二取余法，假定data為待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，temp為轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)，Dim為轉(zhuǎn)換精度，通過循環(huán)：for(int i=0;iDim;i+)tempDim-1-i=data%2+48;/程序中加48是將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII

10、碼data/=2;tempDim=0;將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼。第二局部實(shí)驗(yàn)二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過編程熟悉VC+的Win32 Console Application的編程環(huán)境；2、通過編程熟悉PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出；3、掌握PID控制器的編程方法；4、了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念與控制方法；5、熟悉定時(shí)器及顯示界面的使用方法；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THBDC-1型 控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3PC機(jī)1臺(tái)(安裝軟件VC+及THJK_Server) 三、實(shí)驗(yàn)原理1被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，PID二階對(duì)象+-計(jì)算機(jī)DA

11、1AD1RtYt圖2-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖圖號(hào)的離散化通過 PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。2常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為，當(dāng)計(jì)算機(jī)等外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，Uk會(huì)產(chǎn)生大幅度的變化，這對(duì)很多執(zhí)行對(duì)象來說，這種沖擊是不能承受的。所以，工程上常用增量式控制算法。其增量形式為：式中Kp-比例系數(shù)Ki=積分系數(shù)，T采樣周期Kd微分系數(shù)本實(shí)驗(yàn)就是采用的PID增量式算法。根據(jù)被控對(duì)象和環(huán)境等不同，還可以采用積分別離PID算法，智能PID算法，微分先行等多種形式的PID控制算法。圖號(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。3數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的方

12、法較多，常用的實(shí)驗(yàn)整定法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。我們控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴(kuò)大的臨界比例度法、擴(kuò)大的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的二階線性系統(tǒng)對(duì)象，建議用衰減曲線法：自動(dòng)控制原理田玉平二版316頁。開場初始化數(shù)據(jù)采集卡，與顯示軟件進(jìn)展通信，從鍵盤輸入有關(guān)輸入?yún)?shù)按下e和enter鍵否？A/D采樣，PID控制控制量限幅，D/A輸出控制量在顯示軟件上畫出階躍響應(yīng)曲線定時(shí)器時(shí)間到？等待關(guān)閉設(shè)備，完畢NNYY4程序流程圖：四、實(shí)驗(yàn)步驟1、仔細(xì)閱讀PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)說明.doc和THJK-Server軟件使用說明.doc文檔，掌握PCI-171

13、1數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出方法和THJK-Server軟件及相關(guān)函數(shù)的使用方法。2、模擬電路接線圖如下所示： 圖2-2 二階被控對(duì)象與計(jì)算機(jī)連接圖圖中R1=510K，R2=510K，R3=100K，R4=200K，C1=1uF，C2=10uF。DA1, AD1, AD2, 是PCI-1711實(shí)驗(yàn)面板的接口用導(dǎo)線將二階模擬系統(tǒng)的輸入端連接到PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的DA1輸出端，系統(tǒng)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的AD1輸入端相連；用導(dǎo)線將+5V直流電源輸出端連接到PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的AD2輸入端，作為階躍觸發(fā)使用，階躍幅度由軟件設(shè)定。初始時(shí)，+5V電源開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；翻開數(shù)字PID實(shí)驗(yàn)文件夾下

14、dsw工程文件，源程序中缺少PID算法程序。請(qǐng)同學(xué)用增量式算法編寫PID控制程序。源程序編譯通過后，先啟動(dòng)THJK_Server圖形顯示軟件，再執(zhí)行程序代碼，在顯示界面出現(xiàn)的曲線并穩(wěn)定后初始化后，把+5V電源打到開狀態(tài)，觀測系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。在實(shí)驗(yàn)完畢后，在鍵盤上按下e和Enter回車鍵鍵，程序退出。7、用衰減曲線法反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)后，重復(fù)第5步驟，直到得到滿意的階躍響應(yīng)曲線為止并截圖。五、實(shí)驗(yàn)記錄1編寫PID數(shù)字控制器的C+程序增量式算法。/PID 算法函數(shù)：pid0=P;pid1=I;pid2=Ddouble PID(double ei, double *pid,

15、double Ts) static double e*=0,ey=0;static double q0=0;static double q1=0;static double q2=0;static double op=0;q0=pid0*(ei-e*); /比例項(xiàng)if (pid1=0) q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ; /當(dāng)前積分項(xiàng)q2=pid0*pid2*(ei-2*e*+ey)/Ts; /微分項(xiàng)ey=e*; e*=ei; op=op+q0+q1+q2; return op;程序?qū)ID參數(shù)的設(shè)置進(jìn)展編程，采用的是增量式算法2.無PID調(diào)節(jié)時(shí)，得到的階躍響應(yīng)曲線：圖

16、1 無PID調(diào)節(jié)時(shí)階躍響應(yīng)曲線此時(shí)設(shè)定P=1，I=0，D=0，傳遞函數(shù)為：，可以看到無PID時(shí)，階躍響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間較長，且有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。3.繪制二階被控對(duì)象在采用數(shù)字控制器后的階躍曲線利用衰減曲線法，先采用比例控制，使k從0逐漸增加K577.58衰減振蕩比8.504.254.002.62直到系統(tǒng)出現(xiàn)如下圖4：1的衰減振蕩：記錄此時(shí)的Kr=7.5，I=10000，并測出此時(shí)的振蕩周期Pr=1.67將其代入公式：Kp=0.85Kr=6.375，Ti=0.5Pr=0.835，Td=0，得PI控制的階躍響應(yīng)曲線：圖2 PI調(diào)節(jié)時(shí)階躍響應(yīng)曲線由實(shí)驗(yàn)曲線可知，階躍響應(yīng)有所改善，但對(duì)于積分調(diào)節(jié)，具有積分

17、作用的PI調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量和給定值之間有誤差，其輸出就會(huì)不停的變化。由于*種原因，誤差一時(shí)無法消除，調(diào)節(jié)器就要不停的校正這個(gè)誤差，結(jié)果很容易造成積分飽和，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致處理器溢出。因此實(shí)際應(yīng)用中必須采取一定的改良措施防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，如積分別離、遇限消弱積分、停頓飽和積分、反應(yīng)抑制積分飽和等。將其代入公式：Kp=1.25Kr=9.375，Ti=0.3Pr=0.501，Td=0.1Pr=0.167，得PID控制的階躍響應(yīng)曲線： 圖3 較好的PID參數(shù)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線從圖中可以看出，此時(shí)的階躍響應(yīng)超調(diào)量較小，且響應(yīng)時(shí)間較短，PID調(diào)節(jié)比擬理想。分析采樣周期Ts對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響當(dāng)Ts=50

18、ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖4所示：當(dāng)Ts=80ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖5所示：當(dāng)Ts=150ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖6所示：與T=100ms相比，適當(dāng)減小或增大采樣周期，調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)增加，雖然不是最理想的PID參數(shù)，但是系統(tǒng)有穩(wěn)定的輸出，且系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與模擬系統(tǒng)的輸出響應(yīng)根本吻合。繼續(xù)增大采樣周期，由于不滿足香農(nóng)定理，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，系統(tǒng)的輸出不能穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、PID控制器中的比例環(huán)節(jié)Kp，調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，加快響應(yīng)速度。但是Kp過大會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量過大，穩(wěn)定性減弱。積分環(huán)節(jié)Ki可以使系統(tǒng)輸出無靜差，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，響應(yīng)速度變慢，微分環(huán)節(jié)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在低頻段，主要是PI控制規(guī)律起作用，提高了系統(tǒng)的型別，消除或減小了穩(wěn)態(tài)誤差；在中高頻段主要是PD控制規(guī)律起作用， 增大截止頻率和相角裕度，提高了響應(yīng)時(shí)間。PID控制調(diào)節(jié)可以增大系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。2、在對(duì)象模型確知時(shí)，由于在工業(yè)系統(tǒng)中對(duì)象很復(fù)雜，一般不能用解析的方法得到較為準(zhǔn)確的模型，因此，可以通過系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整PID控制參數(shù)。這類方法一般采用階躍或脈沖等信號(hào)鼓勵(lì)被控對(duì)象，根據(jù)被控對(duì)象的過渡過程響應(yīng)曲線來獲得系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。用衰減曲線法來確定P、I、D的參數(shù)，其步驟是先采用比例控制，即將Kp從0逐漸增加，直到系統(tǒng)出現(xiàn)4:1的衰減衰減比定義為第一次超調(diào)和第二次